GSM-R网络质差优化分析

胡田立

(大秦铁路股份有限公司太原通信段，太原 030013)

GSM-R现网主要采用宏基站加光纤直放站的方式实现无线网络覆盖。光纤直放站属于同频放大设备，在基站与移动台之间起到信号中继转发、增强射频信号的作用，是保障路堑、山区、隧道等特殊地形环境下无线网络覆盖的重要设备。GSM-R网络依靠频率复用来提高频率利用率，而频率复用常常会引发同频或邻频的干扰。GSM-R频带窄、频点少，复用难，而且在铁路编组站、大型枢纽站等线路并行、交叉、汇合区段，以及山区、隧道、桥梁等特殊环境场景无线网覆盖难度大，给GSM-R的建设带来了不少困难，也导致GSM-R网络通信质量不良的情况在新建线路上经常发生。铁路运输中通信质量差不仅影响日常话务、调度命令传送等业务，重载线路上还会影响组合列车联控，同时也是高铁线路上导致列车发生CTCS-3降级的主要原因。

铁路采用的光纤模拟直放站的覆盖方式容易在基站和直放站共同覆盖区或同信源的几个直放站的共同覆盖区，由于同一信号源的不同发射设备的时延差值大，功率设置不合理，在移动终端处产生多径干扰，多径干扰实质上是一种同频干扰，是GSM-R系统中常见的一种干扰。有时还会由于基站间频点设置不合理，产生邻频干扰，导致通信质量恶化。下面主要以铁路生产运输中这两种最常见的网内干扰进行分析，并结合典型案例提出有效的解决方案及改进措施。

1 常见质差类问题分析

1.1 同频干扰分析

GSM-R系统中常见的同频干扰主要是多径干扰，这里主要以多径干扰为研究对象说明同频干扰对网络的影响。GSM-R无线信号在传播过程中受地形影响会以多条不同的路径传播，路径不同、到达接收终端的时间也不同，这样就造成了有用信号中掺有延迟到达的其他信号。GSM-R通信系统中，当主信号和多径信号的时延差超过15 μs，两信号功率比值小于12 dB时, 就会发生强烈的多径干扰，直接影响到移动台通话质量,甚至产生掉话或呼叫失败的情况。

列车在铁路移动通信网覆盖区段运行，移动台发给基站的测量报告中携带了移动台测定的时间，基站侧负责监听呼叫到达的时间，然后在下行信道中向移动台发送指令，提示移动台需要提前发送的时间，以补偿移动台至基站之间的传输时间损耗，即时间提前量TA。TA取值为[0,63]的整数，TA值每增加1，时延增加3.7 μs。GSM-R信号在空间、光纤、漏缆中的传播速度分别为3×108m/s、(3×108)×2/3 m/s、(3×108)×0.88 m/s，TA 增加 1，所对应的移动台与基站的传播距离分别增加3.7×10-6×3×108/2=555 m、3.7×10-6×(2/3)×3×108/2=370 m、3.7×10-6×0.88×3×108/2 ≈ 488.4 m。

工程中，当某处存在时延差大于15 μs的多径信号，即同信源相邻发射机之间的TA跳变大于4时，可以通过改变多径信号发射天线的方位角、俯仰角，或利用地形地貌阻隔干扰源信号，或降低多径信号的发射功率等措施，控制多径信号的覆盖范围，使问题地点主信号比多径信号电平强12 dB以上，确保不发生多径干扰。

1.2 邻频干扰分析

邻频干扰指与本小区所使用信号频率相邻或相近频道的辐射功率和有用信号一起进入接收机引起的干扰。GSM-R网络中大多是因为频率规划不合理、发射功率设置不当，导致邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道，或是一些原因使得基站小区的覆盖范围超出了设计范围，引起的干扰。邻频率干扰保护比是指在频率复用模式下，相邻频率会对服务小区使用的频率进行干扰，这两个信号间的比值要求大于-6 dB。当列车运行区段两个信号间的比值超出这个范围时，移动台通信质量会迅速下降，此时就有可能产生掉话或通信中断现象。

所以通常在铁路通信系统中，规划频点时要尽量保证移动台所在的小区不会有与本小区主用的频点相同或邻近频点的信号覆盖。如果存在同频、邻频干扰等问题，可重新规划频率，对相关基站小区的工作频点进行调整，优化相关小区的参数，避免网内干扰的发生。

2 典型质差类案例分析

2.1 同频干扰案例分析

瓦日线在开行万吨试验检测车时发现机车在下行方向行驶至官子沟隧道和杜家庄1号隧道间的空旷地带出现通信中断。官子沟隧道和杜家庄1号隧道GSM-R无线信号分别由XX-PX01基站下挂的光纤模拟直放站XX-PX01/R1和XX-PX01/R2覆盖。分析检测车信令，发现机车在通信中断位置出现上行7级质差，对应的电平值由-48 dBm降至-64 dBm，并且伴随有测量报告丢失、TA跳变快且跳变幅度大于4TA的情况发生，如图1所示。

为进一步确定引起通信中断的原因，工区人员于天窗点内，分别在K248+475、K248+580附近及两隧道之间的空旷地带进行呼叫测试。因为官子沟隧道、杜家庄1号隧道山势高，且中断地带距离XXPX01基站较远，可以排除基站天线对该地带越区覆盖的可能性。测试中，先后关闭R1、R2信号，接通状态下在Abis接口监测网管跟踪信令，分析检测得到的数据，发现关闭R2信号后，该处TA值处于4～5之间，上行电平值在-70 dBm附近波动；关闭R1信号后，该处TA值处于8～9之间，上行电平值在-65 dBm附近波动。

图1 检测车信令Fig.1 test car signaling

如图2所示，结合图2中R1、R2直放站与XX-PX01基站的连接情况，XX-PX01基站信号通过R1到达通信中断位置的路径为：先通过光纤将基站信号发射到R1后经漏缆传播至中断带，信号通过这条传播路径的TA值为(247.925-246.760)/0.37+(248.475-247.925)/0.488 4≈4；XX-PX01基站信号通过R2到达通信中断位置的路径为：先通过光纤将基站信号发射到R2后经漏缆传播至中断带，信号通过这条传播路径的TA值为(249.480-246.760)/0.37+(249.480-248.580)/0.488 4≈9，其中通过光纤传播的部分TA值约为7，基站信号到达R2后通过漏缆传播的部分TA值约为2。通过TA值判断移动台当前占用的信号来源。分析可知，关闭R1后，移动台在检测车通信中断带占用R2提供的信号，关闭R2后，移动台在检测车通信中断带占用R1提供的信号。两个相邻的信号覆盖区域TA跳变大于4，同一信源的两路信号电平差小于12 db。结合检测车运行，机车运行至官子沟隧道和杜家庄1号隧道间的空旷地带时，受到了来自R1、R2信号重叠覆盖影响产生的多径干扰，导致通信中断。

图2 信令中断位置Fig.2 Signaling interrupt location

如果继续使用光纤模拟直放站解决该地区的多径干扰问题，只能采用在R1、R2之间增加直放站，减小切换带TA差值、调整直放站发射功率的方法来避免多径干扰。但是这种方案需对光缆重新割接，还要为增设的直放站新建机房，不仅工程量大，而且耗时耗力。数字直放站可以根据实际情况自主设定TA，调整发射功率，能有效避免多径干扰。且工程量小，造价低，只需在原有网络的基础上将模拟直放站替换为数字直放站即可。针对瓦日线XX-PX01基站的R1至R2间机车闪断问题，网络优化过程中将XX-PX01下挂的模拟直放站替换为数字直放站，结合厂家给出的调整收发时延时一般要比直放站覆盖区域最大的TA值略大的建议，对照XX-PX01基站下挂3个直放站的实际情况，为有效避免TA跳变情况的发生，将R1、R2 TA值设为19。再次跟踪机车检测信令，发现占用XX-PX01 TA跳变引发的多径干扰现象消失，且上下行质量都保持在1级以上，质差问题得以解决，如图3所示。

图3 优化后网络覆盖情况Fig.3 Network coverage after optimization

2.2 邻频干扰案例分析

机车在瓦日线南吕梁山隧道上行方向行驶经由PX-LM02/R1向PX-LM01/R6的覆盖区域切换时，发生了PX-LM02/R1信号占用异常中断如图4所示。结合施工图纸及信令监测网管进行分析，该地区PX-LM06的主B频点为1003，分别为PX-LM02/R1、PX-LM01/R6提供从信源信号。PX-LM02主B频点为1004，与PX-LM06频点相邻，在PX-LM02与PX-LM01的重叠覆盖区，02基站的信号下降，06基站信号不变，在主频信号比邻频信号小于6 db时，产生了邻频干扰，导致在切换带位置PX-LM02电平陡降。

为消除该切换带的异常中断情况，将PX-LM02的BCCH频点由1004改为1014。跟踪后续列车接口监测数据，发现修改频点后,机车由PX-LM02向PX-LM01切换正常，切换带电平值能够平滑过渡，质差消失如图5所示，邻频干扰消除，无线覆盖良好，司机不再反映有中断发生。

3 结语

影响 GSM-R无线网运用质量的原因很多，常见的有网内外无线频率干扰、小区参数设置不当、小区间切换指标不合格、硬件设备故障、传输质量差等因素。无线通信网络发生质差，首先要排查问题小区是否存在对通信质量有影响的故障，网管查询相关基站、直放站等区间设备近期的告警记录，排查硬件故障，其次根据基站场强覆盖测试结果，与历史值对比分析，排查天馈劣化问题，通过接口监测分析、现场测试等技术手段，对相关基站小区各项指标进行统计，分析各项指标是否异常，结合网络现状、地形及相邻基站信号覆盖情况，分析导致问题发生的原因。

对于GSM-R网络中同频干扰的典型问题多径干扰，可采用数字直放站、分布式基站代替模拟直放站，根据网络存在的问题，及时调整参数，消除多径时延，或剪除基站与直放站间的多余光缆，缩短二者连接长度，降低多径时延带来的影响，以此有效解决多径干扰。铁路尤其是山区地带的邻频干扰多是由于施工期间频率规划不合理导致，可通过对相关基站小区的工作频点重新调整，优化相关基站小区的覆盖范围，做好频率规划和网络优化工作，统筹管理频点来克服干扰。

GSM-R网络质差分析及优化可以有效提升小区及切换带的服务质量，提高GSM-R网络质量，确保网络质量达标，保障列车行车秩序及铁路运输安全。

图5 优化后网络覆盖情况Fig.5 Network coverage after optimization